현재 국내에서 진행되고 있는 식물을 이용한 오염토양 정화연구는 실험실 규모 위주로 진행되어 토양조건, 온도, 수분, 병충해 등 현장실험에서 나타날 수 있는 저해 및 장해요인을 고려한 정화연구는 이루어 지지 않고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구는 실험실 규모 실험의 한계점을 극복하고 장기간 중금속으로 오염된 토양을 중금속 고축적종 식물을 이용하여 정화할 경우 그 현장적용이 가능한지를 모색하고자, 실험실 규모 및 현장 규모의 식물정화(Phytoremediation)실험을 통해 해바라기, 적겨자, 유채의 중금속 오염토양에 대한 적용성과 정화효율을 평가하였다. 현장적용성 평가를 위한 실험방법으로는 실험값 확인을 위한 저농도와 고농도의 실험실 규모 실험, 현장 적용성 평가를 위해 대상지역의 중금속 오염토를 활용한 현장 실험으로 나누어 수행하였다. 실험에 사용된 식물로는 유채, 해바라기, 적겨자이며 이들 식물은 ...
현재 국내에서 진행되고 있는 식물을 이용한 오염토양 정화연구는 실험실 규모 위주로 진행되어 토양조건, 온도, 수분, 병충해 등 현장실험에서 나타날 수 있는 저해 및 장해요인을 고려한 정화연구는 이루어 지지 않고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구는 실험실 규모 실험의 한계점을 극복하고 장기간 중금속으로 오염된 토양을 중금속 고축적종 식물을 이용하여 정화할 경우 그 현장적용이 가능한지를 모색하고자, 실험실 규모 및 현장 규모의 식물정화(Phytoremediation)실험을 통해 해바라기, 적겨자, 유채의 중금속 오염토양에 대한 적용성과 정화효율을 평가하였다. 현장적용성 평가를 위한 실험방법으로는 실험값 확인을 위한 저농도와 고농도의 실험실 규모 실험, 현장 적용성 평가를 위해 대상지역의 중금속 오염토를 활용한 현장 실험으로 나누어 수행하였다. 실험에 사용된 식물로는 유채, 해바라기, 적겨자이며 이들 식물은 비닐하우스 내에 4월에 파종하여 9월에 수확하였다. 정화효율 분석은 식물 발아율 및 개체수 분석, 식물성장 및 생체량 분석, 토양 이화학적 특성분석, 토양 중금속 분석, 식물 중금속 함량분석으로 각각 나누어 분석을 실시하였다. 식물 발아율 및 개체 성장률을 분석한 결과, 유채는 Zn 초기농도 700mg/kg이상에서는 저해를 받아 60%이하의 성장률을 보였으며 해바라기는 Pb 초기농도 300mg/kg이상에서는 농도에 따른 저해를 받아 개체수가 급감하였다. 또한, 적겨자는 Ni 초기농도 150mg/kg이상에서는 중금속 독성으로 개체 성장률이 60%이하로 저하되었다. 60일 재배 작물에 비해 90일 재배 작물의 개체수가 노화에 의해 감소하였으며 단일 오염토와 복합 오염토에서의 개체 성장률은 큰 차이가 없었다. 식물의 성장은 해바라기가 90~95cm로 가장 큰 성장을 보였고, 그다음 유채는 85~90cm로 적겨자는 65~70cm의 순서로 성장을 하였다. 뿌리의 성장 역시 가장 큰 성장을 보인 식물은 해바라기로 최대 30~40cm의 크기를 보였고, 유채는 최대 30~35cm의 크기를 보였으며, 적겨자는 25~35cm로 가장 작은 크기를 보였다. 따라서, 식물뿌리의 성장 깊이를 고려하여 중금속 오염토의 작물 재배상의 두께를 40cm 이내로 적용하여야 한다. 식물생체량은 60일 경과시보다 90일 경과시에 1.5~2배 높게 나타났으며 90일 재배후 최대 생체량을 보였다. 또한, 중금속 농도 증가에 따라 적겨자의 생체량 변화는 크지 않았으나 Pb, Zn 독성으로 인해 해바라기, 유채의 생체량은 Pb 300mg/kg, Zn 700mg/kg이하에서 급격하게 감소하였다. 식물 중금속 함량 분석결과, 중금속의 축적 시기는 90일 재배시 최대량을 보였으며 초기 중금속 농도가 증가할수록 중금속 독성에 의해 축적량이 감소하였다. 또한, 단위 생체 중량당 중금속 축적량은 Ni오염토에서 적겨자 19.46mg/kg > 유채 11.04mg/kg > 해바라기 10.43mg/kg 순이었고, Zn오염토에서는 유채 71.51mg/kg > 해바라기 28.55mg/kg > 적겨자 23.58mg/kg, Pb오염토에서는 해바라기 18.80mg/kg > 유채 7.09mg/kg > 적겨자 5.65mg/kg 순으로 나타났다. 따라서, Ni 고축적종은 적겨자, Zn 고축적종은 유채, Pb 고축적종은 해바라기였으며 Zn에 대해 적겨자와 해바라기는 독성을 보였다. 적겨자에서의 Ni의 부위별 축적비율은 지상부 90%, 지하부 10%였으며 해바라기에서의 Pb의 부위별 축적비율은 지상부 30%, 지하부 70%였다. 또한, 유채에서의 Zn의 부위별 축적비율은 지상부 70%, 지하부 30%였다. 또한, 단위 면적당 중금속 축적량을 환산한 결과, Ni 오염토에서는 적겨자 6.31mg/m2 > 해바라기 2.98mg/m2 > 유채 0.88mg/m2 순이었고, Zn 오염토에서는 유채 17.75mmg/m2 > 해바라기 8.48mg/m2 > 적겨자 6.92mg/m2, Pb 오염토에서는 해바라기 6.09mg/m2 > 유채 1.10mg/m2 > 적겨자 0.88mg/m2 순으로 나타났다. 따라서, 최종적으로 중금속 정화 식물은 현장 생육조건을 고려하여 단위 면적당 중금속 축적량이 우수한 Ni은 적겨자, Pb는 해바라기, Zn은 유채를 선정하였다. 토양 중금속 함량 분석결과 현장 실험의 경우 Ni 오염지역은 초기농도 대비 58%, Zn 오염지역은 76%, Pb 오염지역은 57%의 저감효율을 보였는데 특히, 유채가 파종된 Zn오염지역의 아연 제거효율이 가장 높았다. 본 연구결과, 적겨자, 해바라기, 유채 등 적용 식물의 경작 90일 후에 최대 생체량 및 최대 중금속 축적량을 보였며 그 이후에는 노화현상에 의해 중금속 축적량이 감소하는 것으로 나타나 최적의 정화효율을 보이는 운영주기는 90일인 것으로 판단되었다.
현재 국내에서 진행되고 있는 식물을 이용한 오염토양 정화연구는 실험실 규모 위주로 진행되어 토양조건, 온도, 수분, 병충해 등 현장실험에서 나타날 수 있는 저해 및 장해요인을 고려한 정화연구는 이루어 지지 않고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구는 실험실 규모 실험의 한계점을 극복하고 장기간 중금속으로 오염된 토양을 중금속 고축적종 식물을 이용하여 정화할 경우 그 현장적용이 가능한지를 모색하고자, 실험실 규모 및 현장 규모의 식물정화(Phytoremediation)실험을 통해 해바라기, 적겨자, 유채의 중금속 오염토양에 대한 적용성과 정화효율을 평가하였다. 현장적용성 평가를 위한 실험방법으로는 실험값 확인을 위한 저농도와 고농도의 실험실 규모 실험, 현장 적용성 평가를 위해 대상지역의 중금속 오염토를 활용한 현장 실험으로 나누어 수행하였다. 실험에 사용된 식물로는 유채, 해바라기, 적겨자이며 이들 식물은 비닐하우스 내에 4월에 파종하여 9월에 수확하였다. 정화효율 분석은 식물 발아율 및 개체수 분석, 식물성장 및 생체량 분석, 토양 이화학적 특성분석, 토양 중금속 분석, 식물 중금속 함량분석으로 각각 나누어 분석을 실시하였다. 식물 발아율 및 개체 성장률을 분석한 결과, 유채는 Zn 초기농도 700mg/kg이상에서는 저해를 받아 60%이하의 성장률을 보였으며 해바라기는 Pb 초기농도 300mg/kg이상에서는 농도에 따른 저해를 받아 개체수가 급감하였다. 또한, 적겨자는 Ni 초기농도 150mg/kg이상에서는 중금속 독성으로 개체 성장률이 60%이하로 저하되었다. 60일 재배 작물에 비해 90일 재배 작물의 개체수가 노화에 의해 감소하였으며 단일 오염토와 복합 오염토에서의 개체 성장률은 큰 차이가 없었다. 식물의 성장은 해바라기가 90~95cm로 가장 큰 성장을 보였고, 그다음 유채는 85~90cm로 적겨자는 65~70cm의 순서로 성장을 하였다. 뿌리의 성장 역시 가장 큰 성장을 보인 식물은 해바라기로 최대 30~40cm의 크기를 보였고, 유채는 최대 30~35cm의 크기를 보였으며, 적겨자는 25~35cm로 가장 작은 크기를 보였다. 따라서, 식물뿌리의 성장 깊이를 고려하여 중금속 오염토의 작물 재배상의 두께를 40cm 이내로 적용하여야 한다. 식물생체량은 60일 경과시보다 90일 경과시에 1.5~2배 높게 나타났으며 90일 재배후 최대 생체량을 보였다. 또한, 중금속 농도 증가에 따라 적겨자의 생체량 변화는 크지 않았으나 Pb, Zn 독성으로 인해 해바라기, 유채의 생체량은 Pb 300mg/kg, Zn 700mg/kg이하에서 급격하게 감소하였다. 식물 중금속 함량 분석결과, 중금속의 축적 시기는 90일 재배시 최대량을 보였으며 초기 중금속 농도가 증가할수록 중금속 독성에 의해 축적량이 감소하였다. 또한, 단위 생체 중량당 중금속 축적량은 Ni오염토에서 적겨자 19.46mg/kg > 유채 11.04mg/kg > 해바라기 10.43mg/kg 순이었고, Zn오염토에서는 유채 71.51mg/kg > 해바라기 28.55mg/kg > 적겨자 23.58mg/kg, Pb오염토에서는 해바라기 18.80mg/kg > 유채 7.09mg/kg > 적겨자 5.65mg/kg 순으로 나타났다. 따라서, Ni 고축적종은 적겨자, Zn 고축적종은 유채, Pb 고축적종은 해바라기였으며 Zn에 대해 적겨자와 해바라기는 독성을 보였다. 적겨자에서의 Ni의 부위별 축적비율은 지상부 90%, 지하부 10%였으며 해바라기에서의 Pb의 부위별 축적비율은 지상부 30%, 지하부 70%였다. 또한, 유채에서의 Zn의 부위별 축적비율은 지상부 70%, 지하부 30%였다. 또한, 단위 면적당 중금속 축적량을 환산한 결과, Ni 오염토에서는 적겨자 6.31mg/m2 > 해바라기 2.98mg/m2 > 유채 0.88mg/m2 순이었고, Zn 오염토에서는 유채 17.75mmg/m2 > 해바라기 8.48mg/m2 > 적겨자 6.92mg/m2, Pb 오염토에서는 해바라기 6.09mg/m2 > 유채 1.10mg/m2 > 적겨자 0.88mg/m2 순으로 나타났다. 따라서, 최종적으로 중금속 정화 식물은 현장 생육조건을 고려하여 단위 면적당 중금속 축적량이 우수한 Ni은 적겨자, Pb는 해바라기, Zn은 유채를 선정하였다. 토양 중금속 함량 분석결과 현장 실험의 경우 Ni 오염지역은 초기농도 대비 58%, Zn 오염지역은 76%, Pb 오염지역은 57%의 저감효율을 보였는데 특히, 유채가 파종된 Zn오염지역의 아연 제거효율이 가장 높았다. 본 연구결과, 적겨자, 해바라기, 유채 등 적용 식물의 경작 90일 후에 최대 생체량 및 최대 중금속 축적량을 보였며 그 이후에는 노화현상에 의해 중금속 축적량이 감소하는 것으로 나타나 최적의 정화효율을 보이는 운영주기는 90일인 것으로 판단되었다.
Most studies of phytoremediation in korea were performed on Lab. scale, so they had some limitations to not consider the cultivation conditions such as environment including soil structure, temperature and moisture and on-site limitations including damages by blight and harmful insects. Therefore, o...
Most studies of phytoremediation in korea were performed on Lab. scale, so they had some limitations to not consider the cultivation conditions such as environment including soil structure, temperature and moisture and on-site limitations including damages by blight and harmful insects. Therefore, on this study, to overcome the previous limitations on Lab. scale research, I'd like to estimate the feasibility of phytoremediation and evaluate the remediation efficiency by Helianthus annuus, Brassica juncea and Brassica campestris on the soil contaminated with heavy metals such as nickel, zinc and lead long time ago in the on-site green house. This study was consisted of Lab. scale phytoremediation on the soil contaminated with low and high concentrations of heavy metals and field scale remediation on the heavy metal contaminated soil. The selected hyperaccumulators were Helianthus annuus, Brassica juncea and Brassica campestris and after seeded on April, they were harvested on september. Remediation efficiency were evaluated by the analysis of germination rate and population, biomass contents measurement, physicochemical analysis of soil, analysis of heavy metal concentrations of soil and plant, respectively. As a result of analysis of germination and growth rate, the hyperaccumulators were germinated within 6~9 days after seeding and the germination and growth rates fell down under 60% in the condition of over 700mg/kg of zinc for Brassica campestris, 300mg/kg of lead for Helianthus annuus, and 150mg/kg of nickel for Brassica juncea. This was due to toxicity of heavy metal. In addition, the population after 90 days of cultivation was reduced compared to population after 60 days of cultivation because of aging of crops. Helianthus annuus has grown up to 90~95cm, and Brassica campestris up to 85~90cm as well as Brassica juncea up to 65~70cm. The root of Helianthus annuus also showed the maximum growth up to 30~40cm, and that of Brassica campestris up to 30~35cm as well as that of Brassica juncea up to 25~35cm. By the observation of root length, the maximum influential depth of hyperaccumulators was 40cm for phytoremediation. The hyperaccumulators showed the maximum growth in 90~100 days after seeding. The biomass of Helianthus annuus and Brassica campestris were reduced radically over 300mg/kg of lead and 700mg/kg of zinc, respectively, because of toxicity of heavy metals. However, that of Brassica juncea was not affected according to the increaset of nickel concentration. As a result of analysis of heavy metal contents the accumulators showed the maximum accumulated heavy metal contents in their biomass after 90 days of cultivation and the heavy metal contents in their biomass were reduced according to the increasement of initial concentrations of heavy metals because of toxicity of heavy metals. The heavy metal contents of biomass on the soil contaminated with nickel were ranked as follows; 19.46mg/kg in Brassica juncea, 11.04mg/kg in Brassica campestris and 10.43mg/kg in Helianthus annuus. Those of biomass on the soil contaminated with zinc were ranked as follows; 71.51mg/kg in Brassica campestris, 28.55mg/kg in Helianthus annuus and 23.58mg/kg in Brassica juncea. Additionally, those of biomass on the soil contaminated with lead were ranked as follows; 18.80mg/kg in Helianthus annuus, 7.09mg/kg in Brassica campestris and 5.65mg/kg in Brassica juncea. As a result of these examinations, Brassica juncea was selected as hyperaccumulator for the remediation of nickel contaminated soil and Helianthus annuus as hyperaccumulator for the remediation of lead contaminated soil. Even though Helianthus annuus and Brassica juncea showed the higher contents of zinc in its biomass than Brassica campestris, their ability to accumulate the heavy metal in their biomass were inhibited at the higher concentration of zinc, so Brassica campestris was selected as hyperaccumulator for the remediation of zinc contaminated soil. 90% of nickel accumulated in Brassica juncea and 70% of zinc accumulated in Brassica campestris were concentrated in the upper site of crop like stem and leaves, but in the case of Helianthus annuus, 70% of lead was accumulated in the root. To evaluate the remediation efficiencies of hyperaccumulators in a cultivated area, the phytoremediated heavy metal contents per unit area were calculated for the crops after 90 days of cultivation. The phytoremediated heavy metal contents in the area of the soil contaminated with nickel were ranked as follows; 6.31mg/m2 in Brassica juncea, 2.98mg/m2 in Helianthus annuus and 0.88mg/m2 in Brassica campestris. Those of the soil contaminated with zinc were ranked as follows; 17.75mg/m2 in Brassica campestris, 8.48mg/m2 in Helianthus annuus and 6.92mg/m2 in Brassica juncea. And those of the soil contaminated with lead were ranked as follows; 6.09mg/kg in Helianthus annuus, 1.10mg/kg in Brassica campestris and 0.88mg/kg in Brassica juncea. As a result of these examinations, finally, Brassica juncea was selected as hyperaccumulator for the remediation of nickel contaminated soil and Helianthus annuus as hyperaccumulator for the remediation of lead contaminated soil. Additionally, Brassica campestris was selected as hyperaccumulator for the remediation of zinc contaminated soil. These results were very similar to the order of heavy metal contents in biomass The heavy metal contents of the soil on the lab. test decreased in the order of zinc 〉 lead 〉nickel 〉copper. Nickel decreased into 58%, zinc decreased to 76% and lead decreased to 57%, respectively, on the field test compared to the initial concentrations. Especially Brassica campestris showed the highest remediation efficiency on the soil contaminated with zinc. On this study I could conclude that the accumulators showed the maximum biomass contents in 90~100 days after seeding and the maximum accumulation rate of heavy metals at the same time. So I think 90~100 days of cultivation would be the most efficient period of phytoremediation.
Most studies of phytoremediation in korea were performed on Lab. scale, so they had some limitations to not consider the cultivation conditions such as environment including soil structure, temperature and moisture and on-site limitations including damages by blight and harmful insects. Therefore, on this study, to overcome the previous limitations on Lab. scale research, I'd like to estimate the feasibility of phytoremediation and evaluate the remediation efficiency by Helianthus annuus, Brassica juncea and Brassica campestris on the soil contaminated with heavy metals such as nickel, zinc and lead long time ago in the on-site green house. This study was consisted of Lab. scale phytoremediation on the soil contaminated with low and high concentrations of heavy metals and field scale remediation on the heavy metal contaminated soil. The selected hyperaccumulators were Helianthus annuus, Brassica juncea and Brassica campestris and after seeded on April, they were harvested on september. Remediation efficiency were evaluated by the analysis of germination rate and population, biomass contents measurement, physicochemical analysis of soil, analysis of heavy metal concentrations of soil and plant, respectively. As a result of analysis of germination and growth rate, the hyperaccumulators were germinated within 6~9 days after seeding and the germination and growth rates fell down under 60% in the condition of over 700mg/kg of zinc for Brassica campestris, 300mg/kg of lead for Helianthus annuus, and 150mg/kg of nickel for Brassica juncea. This was due to toxicity of heavy metal. In addition, the population after 90 days of cultivation was reduced compared to population after 60 days of cultivation because of aging of crops. Helianthus annuus has grown up to 90~95cm, and Brassica campestris up to 85~90cm as well as Brassica juncea up to 65~70cm. The root of Helianthus annuus also showed the maximum growth up to 30~40cm, and that of Brassica campestris up to 30~35cm as well as that of Brassica juncea up to 25~35cm. By the observation of root length, the maximum influential depth of hyperaccumulators was 40cm for phytoremediation. The hyperaccumulators showed the maximum growth in 90~100 days after seeding. The biomass of Helianthus annuus and Brassica campestris were reduced radically over 300mg/kg of lead and 700mg/kg of zinc, respectively, because of toxicity of heavy metals. However, that of Brassica juncea was not affected according to the increaset of nickel concentration. As a result of analysis of heavy metal contents the accumulators showed the maximum accumulated heavy metal contents in their biomass after 90 days of cultivation and the heavy metal contents in their biomass were reduced according to the increasement of initial concentrations of heavy metals because of toxicity of heavy metals. The heavy metal contents of biomass on the soil contaminated with nickel were ranked as follows; 19.46mg/kg in Brassica juncea, 11.04mg/kg in Brassica campestris and 10.43mg/kg in Helianthus annuus. Those of biomass on the soil contaminated with zinc were ranked as follows; 71.51mg/kg in Brassica campestris, 28.55mg/kg in Helianthus annuus and 23.58mg/kg in Brassica juncea. Additionally, those of biomass on the soil contaminated with lead were ranked as follows; 18.80mg/kg in Helianthus annuus, 7.09mg/kg in Brassica campestris and 5.65mg/kg in Brassica juncea. As a result of these examinations, Brassica juncea was selected as hyperaccumulator for the remediation of nickel contaminated soil and Helianthus annuus as hyperaccumulator for the remediation of lead contaminated soil. Even though Helianthus annuus and Brassica juncea showed the higher contents of zinc in its biomass than Brassica campestris, their ability to accumulate the heavy metal in their biomass were inhibited at the higher concentration of zinc, so Brassica campestris was selected as hyperaccumulator for the remediation of zinc contaminated soil. 90% of nickel accumulated in Brassica juncea and 70% of zinc accumulated in Brassica campestris were concentrated in the upper site of crop like stem and leaves, but in the case of Helianthus annuus, 70% of lead was accumulated in the root. To evaluate the remediation efficiencies of hyperaccumulators in a cultivated area, the phytoremediated heavy metal contents per unit area were calculated for the crops after 90 days of cultivation. The phytoremediated heavy metal contents in the area of the soil contaminated with nickel were ranked as follows; 6.31mg/m2 in Brassica juncea, 2.98mg/m2 in Helianthus annuus and 0.88mg/m2 in Brassica campestris. Those of the soil contaminated with zinc were ranked as follows; 17.75mg/m2 in Brassica campestris, 8.48mg/m2 in Helianthus annuus and 6.92mg/m2 in Brassica juncea. And those of the soil contaminated with lead were ranked as follows; 6.09mg/kg in Helianthus annuus, 1.10mg/kg in Brassica campestris and 0.88mg/kg in Brassica juncea. As a result of these examinations, finally, Brassica juncea was selected as hyperaccumulator for the remediation of nickel contaminated soil and Helianthus annuus as hyperaccumulator for the remediation of lead contaminated soil. Additionally, Brassica campestris was selected as hyperaccumulator for the remediation of zinc contaminated soil. These results were very similar to the order of heavy metal contents in biomass The heavy metal contents of the soil on the lab. test decreased in the order of zinc 〉 lead 〉nickel 〉copper. Nickel decreased into 58%, zinc decreased to 76% and lead decreased to 57%, respectively, on the field test compared to the initial concentrations. Especially Brassica campestris showed the highest remediation efficiency on the soil contaminated with zinc. On this study I could conclude that the accumulators showed the maximum biomass contents in 90~100 days after seeding and the maximum accumulation rate of heavy metals at the same time. So I think 90~100 days of cultivation would be the most efficient period of phytoremediation.
주제어
#식물정화법 유채 해바라기 적겨자 Ni Pb Zn Phytoremediation Phytoextraction Accumulator Heavy metal
학위논문 정보
저자
박상헌
학위수여기관
광운대학교 대학원
학위구분
국내박사
학과
환경공학과
발행연도
2011
총페이지
xxvii, 165 p.
키워드
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